JP6357976B2 - DC power supply - Google Patents
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Description
本発明は、複数台の直流/交流/直流変換ユニットを用いて負荷に直流電圧を供給する直流電源装置に関するものである。 The present invention relates to a DC power supply apparatus that supplies a DC voltage to a load using a plurality of DC / AC / DC conversion units.
図10は、従来の直流電源装置を示す回路図である。
図10において、直流電源50の両極間には、コンデンサ9a,9b,9cが直列に接続されている。例えば、コンデンサ9aの両端には、直流電圧を高周波交流電圧に変換する高周波インバータ31aが接続され、その出力側には変圧器32aを介して整流回路33aが接続されている。また、これらのインバータ31a、変圧器32a及び整流回路33aからなる直列回路に並列に、高周波インバータ41a、変圧器42a及び整流回路43aからなる直列回路が接続されている。
上記のコンデンサ9a、インバータ31a,41a、変圧器32a,42a、及び整流回路33a,43aにより、1台の直流/交流/直流変換ユニット(以下、単にユニットともいう)Aが構成される。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a conventional DC power supply device.
In FIG. 10,
The
ユニットAと同様に、コンデンサ9b、インバータ31b,41b、変圧器32b,42b、及び整流回路33b,43bにより1台のユニットBが構成され、コンデンサ9c、インバータ31c,41c、変圧器32c,42c、及び整流回路33c,43cにより1台のユニットCが構成されている。
そして、全てのユニットA,B,Cの正側出力端子、負側出力端子がそれぞれ一括して接続され、図示されていない負荷に直流電圧を供給している。
Similarly to the unit A, the
And the positive side output terminal and negative side output terminal of all the units A, B, and C are connected collectively, respectively, and supply DC voltage to the load which is not shown in figure.
上記構成において、例えばユニットAでは、インバータ31aが直流電圧を一旦、高周波交流電圧に変換し、変圧器32aにより絶縁、変圧した後に整流回路33aによって整流し、再び直流電圧に変換することで、直流電源装置としての電圧変換及び負荷との絶縁を行っている。ここで、高周波交流を用いるのは、一般に周波数が高いほど変圧器を小形化できるためである。
ユニットA内のインバータ31a、変圧器32a及び整流回路33aからなる直列回路や、インバータ41a、変圧器42a及び整流回路43aからなる直列回路は、絶縁型DC/DCコンバータと呼ばれる周知の技術であり、これは他のユニットB,Cについても同様である。
In the above configuration, for example, in the unit A, the
The series circuit composed of the
また、ユニットA,B,Cの直流入力側が直列に接続されている理由は、以下の通りである。
インバータ31a,31b,31c等の電力変換回路に用いられる半導体スイッチング素子の耐圧は、少なくともコンデンサ9a,9b,9cの電圧Ea,Eb,Ecより高くする必要がある。一方、半導体スイッチング素子は、一般に、耐圧をある程度以上高くすると高速スイッチング性能が損なわれる傾向があり、現在では、スイッチング周波数が数10[kHz]で動作可能な素子の耐圧は、最大でも1200[V]程度である。
The reason why the DC input sides of the units A, B, and C are connected in series is as follows.
Breakdown voltage of the semiconductor switching elements used in a power conversion circuit such as an
仮に、直流電源50の電圧が2000[V]である場合、この電圧を上回る耐圧(3300[V])を有する半導体スイッチング素子が存在しており、この素子の実用的なスイッチング周波数は1[kHz]以下である。このような半導体スイッチング素子をインバータ31a等に用いて1台のユニットを構成し、このユニットを単独で直流電源50に接続することも可能ではあるが、スイッチング周波数が低いため、変圧器を小型化することが困難になる。
If the voltage of the
このため、従来では、複数台(図10では3台)のユニットA,B,Cの直流入力側を直列に接続して1ユニット当たりの直流入力電圧を低くし、1200[V]以下の耐圧を有する半導体スイッチング素子の使用を可能としている。
なお、例えばユニットAの整流回路33aは入力側と絶縁されているため、出力電位を任意に設定することができ、他のユニットB,Cの整流回路33b,33cと互いに並列に接続することによって装置の電力容量を確保することができる。
図10では、直流入力側が直列に接続されるユニットの数が3台であるが、ユニットの直列接続数は、直流電源50の電圧と半導体スイッチング素子やその他の部品の耐圧とを勘案して、任意の複数にすることができる。
For this reason, conventionally, the DC input side of a plurality of units (three in FIG. 10) units A, B, and C are connected in series to reduce the DC input voltage per unit, and the breakdown voltage is 1200 [V] or less. It is possible to use a semiconductor switching element having
For example, since the
In FIG. 10, the number of units connected in series on the DC input side is three. However, the number of units connected in series is determined by taking into consideration the voltage of the
上述したように、回路を直列接続することにより、耐圧が比較的低い半導体スイッチング素子を用いて高入力電圧の電力変換装置を実現する従来技術が、例えば特許文献1に示されている。この従来技術は、複数のチョッパセルを直列に接続し、制御部が、チョッパセルの直列数に等しい数の電圧閾値と出力電圧指令値との比較結果に基づいて各電圧閾値に対応するチョッパセルのスイッチング素子をワンパルス動作させることにより、各チョッパセル内のコンデンサ電圧を均一化するものである。
As described above, for example,
その他の従来技術として、チョッパセル等の変換回路を直列接続するのではなく、スイッチング素子自体を直列接続するものが知られている。しかし、スイッチング時の各素子への印加電圧をバランスさせるためにスイッチングタイミングを厳密に合わせる必要があるため、スイッチング周波数を高周波化することが難しく、実用例は限られている。 As another conventional technique, there is known a technique in which switching elements such as chopper cells are not connected in series, but switching elements themselves are connected in series. However, since it is necessary to strictly match the switching timing in order to balance the voltage applied to each element at the time of switching, it is difficult to increase the switching frequency, and practical examples are limited.
なお、図10に示した従来技術では、各ユニットの出力電力を等しくする必要がある。仮に、各ユニット間で出力電力にアンバランスがあると、出力電力が大きいユニットの入力電圧が低下する一方、出力電力が小さいユニットの入力電圧が上昇する。このような状態のままで運転を続けると、入力電圧が上昇したユニットに使用されている半導体スイッチング素子の耐圧を超えてしまい、装置の故障に至るおそれがある。 In the prior art shown in FIG. 10, it is necessary to make the output power of each unit equal. If the output power is unbalanced among the units, the input voltage of the unit having a large output power is reduced while the input voltage of a unit having a low output power is increased. If the operation is continued in such a state, the breakdown voltage of the semiconductor switching element used in the unit whose input voltage has risen is exceeded, which may cause a failure of the apparatus.
一方、図10においては、各ユニット、例えばユニットAでは、インバータ31a、変圧器32a及び整流回路33aからなる絶縁型DC/DCコンバータと、インバータ41a、変圧器42a及び整流回路43aからなる絶縁型DC/DCコンバータとが並列接続されているが、この理由は以下の通りである。
On the other hand, in FIG. 10, in each unit, for example, unit A, an insulation type DC / DC converter comprising an
近年、省エネルギーの要求から、定格電力付近だけでなく軽負荷領域においても装置が高効率であることが求められつつある。
通常、直流電源装置等に使用される電力変換回路は所定範囲の入出力電圧によって動作するので、通流する電流と電力との間には、概ね比例関係がある。軽負荷時に電流が小さくなると、半導体スイッチング素子や還流ダイオード等の半導体素子や変圧器の巻線における抵抗損失は減少する。一方、変圧器の鉄損等は電圧に依存するが電流に対する依存性は小さいため、軽負荷時でもほとんど変化がない、いわゆる固定損となる。つまり、軽負荷時においては、扱う電力が小さくなるにつれて損失が小さくならないと、所定の効率を維持することが難しくなる。
In recent years, due to the demand for energy saving, it is demanded that the apparatus is highly efficient not only in the vicinity of the rated power but also in the light load region.
Usually, a power conversion circuit used in a DC power supply device or the like operates with an input / output voltage within a predetermined range, and therefore there is a generally proportional relationship between the current flowing through and the power. When the current becomes small at light load, the resistance loss in the semiconductor element such as the semiconductor switching element and the free wheel diode and the winding of the transformer decreases. On the other hand, the iron loss or the like of the transformer depends on the voltage, but since the dependence on the current is small, it is a so-called fixed loss that hardly changes even at light loads. In other words, at a light load, it is difficult to maintain a predetermined efficiency unless the loss decreases as the power handled decreases.
そこで、図10における各ユニット内の絶縁型DC/DCコンバータのように、複数の電力変換回路の直流入力側を並列接続し、軽負荷時に一方の電力変換回路の運転を停止することで固定損を低減させ、装置の効率を向上させることができる。
このように複数の電力変換回路を並列接続し、その運転台数を制御することにより軽負荷時の効率を改善する方法は、従来から種々、提案されている。この場合、複数の電力変換回路によって分割する電力容量の比は、必ずしも均等でなくても良い。
Therefore, like the isolated DC / DC converter in each unit in FIG. 10, the DC input sides of a plurality of power conversion circuits are connected in parallel, and the operation of one of the power conversion circuits is stopped at light load, thereby fixing loss. And the efficiency of the apparatus can be improved.
Various methods for improving efficiency at light loads by connecting a plurality of power conversion circuits in parallel and controlling the number of operating units have been proposed. In this case, the ratio of the power capacity divided by the plurality of power conversion circuits is not necessarily equal.
例えば、特許文献2には、複数台の小容量インバータと複数台の大容量インバータとを、入力側及び出力側において全て並列に接続し、直流電源の出力電力に応じて起動するインバータの台数を、小容量インバータの中から、または、大容量インバータの中から、あるいは、全インバータの中から選択して決定する運転方法が開示されている。 For example, in Patent Document 2, a plurality of small-capacity inverters and a plurality of large-capacity inverters are all connected in parallel on the input side and the output side, and the number of inverters that are activated according to the output power of the DC power supply is described. An operation method is disclosed that selects and determines from among a small capacity inverter, from a large capacity inverter, or from all inverters.
図10に示した従来技術では、高周波スイッチングが可能な半導体スイッチング素子を用いるために、直流入力電圧を3台のユニットの直列回路に印加して各ユニットへの印加電圧を3分割し、各ユニットは、軽負荷時の効率を改善するために2分割、すなわち2台の絶縁型DC/DCコンバータを並列に接続して構成されている。つまり、装置全体では、3分割×2分割により、合計6台の絶縁型DC/DCコンバータが使用されている。 In the prior art shown in FIG. 10, since a semiconductor switching element capable of high-frequency switching is used, a DC input voltage is applied to a series circuit of three units to divide the voltage applied to each unit into three, In order to improve the efficiency at the time of light load, it is divided into two, that is, two isolated DC / DC converters are connected in parallel. That is, in the entire apparatus, a total of six insulated DC / DC converters are used by dividing into 3 parts by 2 parts.
この場合、個々の絶縁型DC/DCコンバータは電流容量が小さいため、台数が多くなっても全体積が膨大になるわけではないが、いわゆるデッドスペースは絶縁型DC/DCコンバータの台数に応じて増大する。また、検出・制御を行うための検出器や制御回路、信号伝送部品や配線等も台数に比例して増加するので、コスト高の原因ともなる。
従って、図10の従来技術では、装置全体の大きさやコストの面で改良の余地があった。
In this case, since the current capacity of each isolated DC / DC converter is small, the total volume does not become enormous even if the number increases, but the so-called dead space depends on the number of isolated DC / DC converters. Increase. In addition, the number of detectors, control circuits, signal transmission parts, wirings, etc. for performing detection and control increases in proportion to the number of units, leading to high costs.
Therefore, the prior art of FIG. 10 has room for improvement in terms of the overall size and cost of the apparatus.
また、特許文献1,2に係る従来技術は、チョッパセルや大容量・小容量インバータの台数の増加による大型化やコスト上昇を解決することを目的とするものではない。
ここで、特許文献1に記載された従来技術は、複数のチョッパセルを直列に接続して一相分のアームを構成し、このアームを三相分、並列接続して三相交流電圧を出力する電力変換装置であり、特許文献2に記載された従来技術は、多数台のインバータを並列に接続して構成される交流電源装置である。
すなわち、複数台の絶縁型DC/DCコンバータの直流入力側を直列に接続して直流入力電圧を分担するようにした直流電源装置において、図10のように絶縁型DC/DCコンバータを冗長化する方法を採らずに固定損の低減を可能にする従来技術は未だ存在していない。
The prior arts related to
Here, in the prior art described in
That is, in the DC power supply apparatus in which the DC input sides of a plurality of insulated DC / DC converters are connected in series to share the DC input voltage, the insulated DC / DC converter is made redundant as shown in FIG. There is no conventional technique that can reduce the fixed loss without adopting a method.
そこで、本発明の解決課題は、各ユニット内において、複数台の絶縁型DC/DCコンバータを並列に接続することなく固定損を低減可能とし、装置全体の小型化、低コスト化を図った直流電源装置を提供することにある。 Accordingly, the problem to be solved by the present invention is that it is possible to reduce the fixed loss without connecting a plurality of isolated DC / DC converters in parallel in each unit, and to reduce the overall size and cost of the apparatus. It is to provide a power supply device.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、コンデンサと、前記コンデンサの両端の直流電圧を交流電圧に変換し、前記交流電圧を絶縁して直流電圧に変換する絶縁型DC/DCコンバータと、により1台の直流/交流/直流変換ユニットを構成し、複数台の前記ユニットの直流入力側を直列に接続し、かつ、複数台の前記ユニットの直流出力側を互いに並列に接続して構成される直流電源装置であって、前記絶縁型DC/DCコンバータを制御する制御回路を備えた直流電源装置において、
複数台の前記ユニットの直流入力側にそれぞれ設けられた前記コンデンサを全て直列に接続し、これらのコンデンサの直列回路の両端に、交流−直流変換回路の直流出力端子を接続し、
前記制御回路は、
前記直流電源装置の負荷電流が所定値より小さいときに、一定の制御周期内で、複数台の前記ユニットのうちの一部のユニットを順次交代させながら同一の時比率にてそれぞれ運転する運転指令を生成し、各ユニットの前記絶縁型DC/DCコンバータを前記運転指令に従って制御すると共に、前記交流−直流変換回路に入力される交流電圧の周期に対し、前記制御周期を十分短く設定したことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, an invention according to
All the capacitors provided on the DC input side of the plurality of units are all connected in series, and the DC output terminals of the AC-DC conversion circuit are connected to both ends of the series circuit of these capacitors,
The control circuit includes:
Operating the load current of the DC power supply to come smaller than the predetermined value, with a constant control cycle, operating respectively at the same duty ratio while sequentially alternating a part of a unit of a plurality of said unit together to generate a command to control the isolated DC / DC converters of each unit according to the operation command, the AC - period of the AC voltage input to the DC converter to, that the control period is set sufficiently short the shall be the feature.
請求項2に係る発明は、コンデンサと、前記コンデンサの両端の直流電圧を交流電圧に変換し、前記交流電圧を絶縁して直流電圧に変換する絶縁型DC/DCコンバータと、により1台の直流/交流/直流変換ユニットを構成し、複数台の前記ユニットの直流入力側を直列に接続し、かつ、複数台の前記ユニットの直流出力側を互いに並列に接続して構成される直流電源装置であって、前記絶縁型DC/DCコンバータを制御する制御回路を備えた直流電源装置において、
複数台の前記ユニットに対応して設けられた複数の交流−直流変換回路をそれぞれ構成する各整流回路の出力端子を、複数台の前記ユニットの直流入力側にそれぞれ設けられた前記コンデンサの両端に接続し、
前記制御回路は、
前記直流電源装置の負荷電流が所定値より小さいときに、一定の制御周期内で、複数台の前記ユニットのうちの一部のユニットを順次交代させながら同一の時比率にてそれぞれ運転する運転指令を生成し、各ユニットの前記絶縁型DC/DCコンバータを前記運転指令に従って制御すると共に、前記交流−直流変換回路に入力される交流電圧の周期に対し、前記制御周期を十分短く設定したことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a direct current from a capacitor and an isolated DC / DC converter that converts a DC voltage across the capacitor into an AC voltage and insulates the AC voltage into a DC voltage. / AC / DC conversion unit, a DC power supply device configured by connecting DC input sides of a plurality of units in series and connecting DC output sides of a plurality of units in parallel with each other In the DC power supply device comprising a control circuit for controlling the isolated DC / DC converter ,
A plurality of AC provided corresponding to the plurality of the unit - the output terminals of the rectifier circuit constituting respectively the DC conversion circuit, to both ends of the capacitor provided to the DC input side of the plurality of said unit connection,
The control circuit includes:
When the load current of the DC power supply device is smaller than a predetermined value, an operation command for operating at the same time ratio while sequentially replacing some of the plurality of units within a certain control cycle. And controlling the isolated DC / DC converter of each unit according to the operation command, and setting the control cycle to be sufficiently short relative to the cycle of the AC voltage input to the AC-DC conversion circuit. It shall be the feature.
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した直流電源装置において、前記制御周期を、前記直流電源装置の負荷率に応じて変化させることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に係る発明は、請求項3に記載した直流電源装置において、前記制御周期を、前記負荷率に反比例させることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the DC power supply device according to
請求項5に係る発明は、請求項3または4に記載した直流電源装置において、前記負荷率が大きいほど、同時に運転する前記ユニットの台数を増加させることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項3〜5の何れか1項に記載した直流電源装置において、前記時比率を、前記負荷率に応じて変化させることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the DC power supply device according to the third or fourth aspect, the larger the load factor, the greater the number of the units that are operated simultaneously.
The invention according to claim 6 is the DC power supply device according to any one of
請求項7に係る発明は、請求項6に記載した直流電源装置において、前記負荷率をその大きさにより所定数の範囲に分割し、前記負荷率が小さい範囲における前記時比率を、前記負荷率が大きい範囲における前記時比率よりも小さく設定したことを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the DC power supply device according to claim 6, wherein the load factor is divided into a predetermined number of ranges according to the size, and the duty ratio in the range where the load factor is small is determined as the load factor. you characterized by being smaller than the time ratio in the range is large.
本発明によれば、図10に示した従来技術のように、各ユニット内で複数台の絶縁型DC/DCコンバータを並列接続して運転を切り替える方法によらず、軽負荷時には、各1台の絶縁型DC/DCコンバータを有する複数のユニットを順次交代させて運転するものである。このため、装置全体として絶縁型DC/DCコンバータの台数を削減することによって小型化、低コスト化を図ると共に、固定損の低減による効率の向上が可能である。
また、各ユニットの運転・停止に伴う入力電流及び電圧の変化分は直流入力側のコンデンサにより吸収することができ、各コンデンサの電圧にアンバランスが生じる恐れもない。
According to the present invention, as in the prior art shown in FIG. 10, one unit at a light load is used regardless of a method of switching operation by connecting a plurality of insulated DC / DC converters in parallel in each unit. A plurality of units having the insulated DC / DC converters are operated by sequentially changing them. For this reason, it is possible to reduce the number of insulated DC / DC converters as a whole, thereby reducing the size and cost, and improving the efficiency by reducing the fixed loss.
In addition, changes in the input current and voltage associated with the operation / stop of each unit can be absorbed by the capacitor on the DC input side, and there is no possibility of imbalance in the voltage of each capacitor.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は本発明の基本形態の構成を示す回路図であり、図10と同一の部分については同一の参照符号を付してある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of the basic form of the present invention. The same parts as those in FIG.
図1において、直流電源50の両極間には、コンデンサ9a,9b,9cが直列に接続されている。例えば、コンデンサ9aの両端には、直流電圧を高周波交流電圧に変換する高周波インバータ31aが接続され、その出力側には変圧器32aを介して整流回路33aが接続されている。ここで、前記同様に、コンデンサ9a、インバータ31a、変圧器32a及び整流回路33aは絶縁型DC/DCコンバータを構成している。また、101aは、インバータ31aを構成する半導体スイッチング素子を制御するための個別制御回路である。
これらのコンデンサ9a、インバータ31a、変圧器32a、整流回路33a及び個別制御回路101aにより、1台のユニットUAが構成されている。
In FIG. 1,
The
同様に、コンデンサ9b、インバータ31b、変圧器32b、整流回路33b及び個別制御回路101bが1台のユニットUBを構成し、コンデンサ9c、インバータ31c、変圧器32c、整流回路33c及び個別制御回路101cが1台のユニットUCを構成している。
そして、全てのユニットUA,UB,UCの正側出力端子、負側出力端子がそれぞれ一括して接続され、図示されていない負荷に直流電圧を供給している。
Similarly, the
And the positive side output terminal and the negative side output terminal of all the units UA, UB, UC are connected together, respectively, and supply DC voltage to the load which is not illustrated.
また、ユニットUA,UB,UCの個別制御回路101a,101b,101cは、単一の全体制御回路100によって制御されるようになっている。なお、全体制御回路100から個別制御回路101a,101b,101cに向かう二重線の矢印は、全体制御回路100から複数の信号が送出されることを示している。
The
図2は、基本形態における軽負荷時、つまり、直流電源装置の負荷電流が所定値より小さいときの動作を示す各指令の説明図である。
全体制御回路100は、個別制御回路101a,101b,101cに、ユニットUA,UB,UCに対する運転指令(具体的には、インバータ31a,31b,31cに対する運転指令)を送る。また、全体制御回路100は、図示されていない電圧検出器により検出した直流電源装置の出力電圧を一定に保つように、運転指令とそれぞれ同期したユニットUA,UB,UCに対する出力電流指令値を生成する。
FIG. 2 is an explanatory diagram of each command showing an operation at a light load in the basic form, that is, when the load current of the DC power supply device is smaller than a predetermined value.
The
ここで、各運転指令は、ユニットUA,UB,UCを、制御周期T内においてそれぞれ同一の時間比率で交互に運転するためのものであり、必要に応じて他のユニットの運転指令との間で重なり期間Trが設けられている。また、ユニットUA,UB,UCの出力電流指令値は、重なり期間Trにおいて0と所定値との間で増加または減少するように設定されている。 Here, each operation command is for operating the units UA, UB, UC alternately at the same time ratio within the control cycle T, and between the operation commands of other units as necessary. The overlap period Tr is provided. Further, the output current command values of the units UA, UB, UC are set so as to increase or decrease between 0 and a predetermined value in the overlap period Tr .
個別制御回路101a,101b,101cは、上記運転指令に従って、自己のユニットの出力電流が出力電流指令値と一致するように、PWM(パルス幅変調)またはPFM(パルス周波数変調)等の周知の制御方法により、インバータ31a,31b,31cを制御する。また、運転指令がオフ(「Low」レベル)となり、電流指令値が0になったユニットは、不要な損失の発生を防止するために運転を停止する。
この結果、各ユニットは時系列的に間欠動作となるが、制御周期Tが十分短ければインバータ31a,31b,31cの入力電流の変動はコンデンサ9a,9b,9cにより吸収される。従って、コンデンサ9a,9b,9cの電圧Ea,Eb,Ecの変動は小さく、かつそれぞれの出力電流指令値の大きさ及び時間を均等にすれば、電圧Ea,Eb,Ecの直流的なアンバランスが発生するおそれはない。
The
As a result, each unit is intermittently operated in time series, but if the control cycle T is sufficiently short, fluctuations in the input current of the
なお、重なり期間Tr内に、あるユニットでは出力電流指令値が次第に減少し、他のユニットでは次第に増加するようにしたのは、各ユニットの出力電流指令値に対する応答遅れやオーバーシュートにより、出力電圧にじょう乱が生じるのを防止するためである。ユニットの出力端に十分大きい平滑コンデンサが接続されているような場合には、必ずしも重なり期間Trを設ける必要はない。 Note that, within the overlap period Tr , the output current command value gradually decreases in some units and gradually increases in other units because of the response delay or overshoot to the output current command value of each unit. This is to prevent disturbance in the voltage. When a sufficiently large smoothing capacitor is connected to the output terminal of the unit, it is not always necessary to provide the overlapping period Tr .
このように、基本形態では、出力電流が小さい軽負荷時に、直流出力側が並列接続されているユニットUA,UB,UCを、制御周期T内においてそれぞれ同一の時間比率で交互に運転・停止するように制御している。
このため、図10に示した従来技術と比較すると、絶縁型DC/DCコンバータの台数を1/2に削減してデッドスペースや検出器、制御回路等を最小限に抑えながら、変圧器の鉄損等からなる固定損を低減させて軽負荷時の効率を向上させることができる。また、この実施形態によれば、複数台の絶縁型DC/DCコンバータの直流入力側を直列に接続した場合のコンデンサの電圧アンバランスも生じるおそれがない。
As described above, in the basic configuration, the units UA, UB, and UC whose DC output sides are connected in parallel are alternately operated / stopped at the same time ratio within the control period T at the time of a light load with a small output current. Is controlling.
Therefore, compared with the prior art shown in FIG. 10, the number of isolated DC / DC converters is reduced by half to minimize dead space, detectors, control circuits, etc. The efficiency at the time of a light load can be improved by reducing a fixed loss including a loss and the like. Moreover, according to this embodiment, there is no possibility that the voltage imbalance of the capacitor will occur when the DC input sides of a plurality of insulated DC / DC converters are connected in series.
次に、図3は、図1における直流電源50に相当するものとして交流/直流変換回路を用いた第1実施形態を示している。この交流/直流変換回路は、PFC(Power Factor Correction)回路として良く知られているものである。
Next, FIG. 3 shows a first embodiment using an AC / DC conversion circuit as one corresponding to the
図3において、PFC回路は、単相交流電源1と、その両端に接続されたダイオード2〜5からなる整流回路と、整流回路の出力側に接続されたリアクトル6と半導体スイッチング素子7との直列回路と、その直列接続点とコンデンサ9aの一端との間に接続されたダイオード8と、から構成されている。ここで、リアクトル6、半導体スイッチング素子7及びダイオード8は、直流電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパとしても知られている。
半導体スイッチング素子7としては、図示するMOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)に限らず、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やBJT(Bipolar Junction Transistor)を用いても良い。
In FIG. 3, the PFC circuit is a series of a single-phase
The semiconductor switching element 7 is not limited to the illustrated MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) but may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a BJT (Bipolar Junction Transistor).
この第1実施形態に係る直流電源装置の機能は、以下の通りである。
(1)単相交流電源1からの交流入力電圧Vinを所望の大きさの直流電圧に変換し、かつ、入力電圧や負荷電流の変動に関わらず、直流出力電圧を一定に保つ。
(2)単相交流電源1からの交流入力電流Iinをほぼ力率1の正弦波とする。
The function of the DC power supply device according to the first embodiment is as follows.
(1) an AC input voltage V in from the single-phase
(2) The AC input current I in from the single-phase
ここで、PFC回路の平滑コンデンサとなるコンデンサ9a,9b,9cは、入力周波数の2倍の周波数の電流成分を平滑し、これに対する電圧変動を所定値以下に抑制するような容量値を必要とする。これは、図3の交流入力電圧Vinが正弦波であり、交流入力電流Iinもまた、力率1の正弦波に保たれるならば、電圧Vinのゼロクロス付近では、入力電力の瞬時値Pin、すなわちVinの瞬時値とIinの瞬時値との積はほぼ0となり、Vinの正負のピーク付近ではPinは最大となるためである。
PFC回路の平均入力電力は最大電力の1/2であり、言い換えれば、定格電力が入力されている時のPFC回路の瞬時電力は、その2倍と0との間で常に変動しており、この瞬時電力を平滑可能な容量値のコンデンサをPFC回路の出力側に備えていることが設計上の基本条件となる。
Here, the
The average input power of the PFC circuit is ½ of the maximum power. In other words, the instantaneous power of the PFC circuit when the rated power is input is constantly fluctuating between twice and 0, It is a basic design condition that a capacitor having a capacitance value capable of smoothing the instantaneous power is provided on the output side of the PFC circuit.
従って、図3に示す回路によって図2に示したような動作を行う場合、制御周期Tを単相交流電源1の周期に対して十分小さく、例えば1/10とすれば、制御周期Tは、単相交流電源1の2倍周波数に対応する半周期に対しても1/5となる。よって、各ユニットUA,UB,UCの入力電力が、ユニット毎の定格電力に相当する変動を生じたとしても、各コンデンサの電圧Ea,Eb,Ecに生じる変動量は、もともとPFC回路の動作によって生じる変動量よりも十分小さくなり、問題になることはない。
Therefore, when the operation shown in FIG. 2 is performed by the circuit shown in FIG. 3, if the control cycle T is sufficiently small relative to the cycle of the single-phase
図4は、本発明の第2実施形態を示すもので、PFC回路を基本形態と同様の着想により三分割し、ダイオード2a〜5a,2b〜5b,2c〜5cからなる3つの整流回路を単相交流電源1の両端に直列に接続したものである。なお、6a,6b,6cはリアクトル、7a,7b,7cは半導体スイッチング素子、8a,8b,8cはダイオードである。
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention, in which a PFC circuit is divided into three parts based on the same concept as the basic form, and three rectifier
この第2実施形態において、コンデンサ9a〜9cは各PFC回路の動作により電位変動を生じるが、インバータ31a〜31cは、変圧器32a〜32cによって出力側のみならず入力側相互間もそれぞれ電位的に独立しているので、任意の電位に接続可能である。第2実施形態における各ユニットUA,UB,UCに対する運転指令及び出力電流指令は図2と同一であり、直流電源装置全体の機能としては図3と同一である。
In this second embodiment, the
また、図5は本発明の第3実施形態を示している。
この第3実施形態は、PFC回路のダイオード2〜5からなる整流回路及びリアクトル6を共通にし、各ユニットUA,UB,UCに対応する昇圧チョッパの半導体スイッチング素子7a,7b,7cを直列に接続したものである。この実施形態においても、各ユニットUA,UB,UCに対する運転指令及び出力電流指令は図2と同一であり、直流電源装置全体の機能は図3,図4と同一であるため、説明を省略する。
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention.
In the third embodiment, the rectifier circuit composed of the diodes 2 to 5 of the PFC circuit and the reactor 6 are shared, and the
なお、上述した各形態においては、図2に示したように、各ユニットUA,UB,UCが運転・停止を繰り返す過程で各ユニット間に重なり期間Trが設けられている。この重なり期間Trでは、2台のユニットが同時に運転されるため、負荷率(負荷量)に関わらず、2ユニット分の固定損(変圧器の鉄損や出力側の整流回路におけるインダクタンスによる鉄損)が発生する。この固定損を低減させるためには、重なり期間Trが短いことが望ましい。 In each of the above-described embodiments, as shown in FIG. 2, an overlapping period Tr is provided between the units in the process in which the units UA, UB, UC repeat operation / stop. In this overlap period Tr , since two units are operated simultaneously, the fixed loss (transformer iron loss or iron due to inductance in the output side rectifier circuit) regardless of the load factor (load amount). Loss). In order to reduce the fixed loss, it is desirable that the overlapping period Tr is short.
一方、第1〜第3実施形態(図3〜図5)におけるコンデンサ9a,9b,9c(PFC回路の平滑コンデンサ)のリプル電圧は、負荷率に比例する。なお、負荷率とは、直流電源装置の定格出力電流に対する負荷電流の比率をいう。
このため、負荷率が低くなるにつれて1ユニット当たりの運転時間を延長し、運転するユニットの交代に伴う直流電圧の変動量が増加しても差し支えなく、これによって再起動に伴う各ユニットの発生損失を低減させることができる。
負荷率の低下につれて各ユニットの運転時間を延長するためには、図2における制御周期Tを負荷率に反比例させれば良い。その際、PFC回路の動作に伴うリプル電圧の量と、運転するユニットの交代動作に伴う電圧変動量との合計値が一定値を超えないように制御周期Tを設定することが望ましい。
On the other hand, the ripple voltage of the
For this reason, as the load factor decreases, the operation time per unit is extended, and there is no problem even if the fluctuation amount of the DC voltage accompanying the change of the unit to be operated increases. Can be reduced.
In order to extend the operation time of each unit as the load factor decreases, the control cycle T in FIG. 2 may be inversely proportional to the load factor. At that time, it is desirable to set the control cycle T so that the total value of the amount of ripple voltage accompanying the operation of the PFC circuit and the voltage fluctuation amount accompanying the alternation operation of the operating unit does not exceed a certain value.
次に、図6は、図1の基本形態の変形例を示す回路図である。
この変形例は、図1の基本形態よりも更に多数のユニットを備えた点であり、多数のユニットの直流入力側のコンデンサが直列に接続されると共に、直流出力側の正側出力端子、負側出力端子がそれぞれ一括して接続され、図示されていない負荷に直流電圧を供給している。
図6において、最終段のユニットUNは、コンデンサ9n、高周波インバータ31n、変圧器32n、整流回路33n及び個別制御回路101nによって構成されている。なお、直流電源装置を構成するユニットの総数は任意の整数であれば良い。
Next, FIG. 6 is a circuit diagram showing a modification of the basic form of FIG.
This modification is provided with a larger number of units than in the basic form of FIG. 1, and the capacitors on the direct current input side of the large number of units are connected in series, and the positive output terminal on the direct current output side, the negative output terminal, The side output terminals are connected together to supply a DC voltage to a load (not shown).
In FIG. 6, the final-stage unit UN is configured by a
図6において、全てのユニットUA〜UNを制御するための全体制御回路100aは、負荷率に応じて同時に運転するユニットの台数を切り替え可能となっている。具体的には、負荷率が大きくなるほど同時に運転するユニットの台数を増加させるように、制御を行う。この機能により、本実施形態では、広範囲の負荷条件に応じて直流電源装置の損失を一層低減させるようにした。
In FIG. 6, the
図6の制御動作を、図7に基づいて説明する。図7では、直流電源装置が5台のユニットUA〜UEによって構成される場合を示しているが、ユニットの台数は5台に限定されないのは勿論である。
図7(a)のモードIは、制御周期T内で、運転するユニットを1台ずつ順次交代していく例であり、前述した図2に相当する。なお、図7(a)において、T/Nは各ユニットの運転時間(単位時間)であり、Nはユニットの総数(この例ではN=5)である。このモードIでは、制御周期Tに対する各ユニットの運転時間の比率が、全て1/Nとなっている。
The control operation of FIG. 6 will be described based on FIG. Although FIG. 7 shows the case where the DC power supply device is configured by five units UA to UE, it is needless to say that the number of units is not limited to five.
Mode I in FIG. 7A is an example in which the units to be operated are sequentially changed one by one within the control cycle T, and corresponds to FIG. 2 described above. In FIG. 7A, T / N is the operating time (unit time) of each unit, and N is the total number of units (N = 5 in this example). In this mode I, the ratio of the operation time of each unit to the control cycle T is all 1 / N.
以下、図7(b)〜(e)のモードII〜Vでは、直流電源装置の負荷率が増加するにつれて、各ユニットの運転時間を2倍,3倍,4倍,……というようにそれぞれ増加させていく。言い換えれば、制御周期Tに対する各ユニットの運転時間の比率を増加させていくと共に、単位時間(T/N)内で同時に運転するユニットを2台,3台,4台,……というようにそれぞれ増加させていくものである。 Hereinafter, in modes II to V of FIGS. 7B to 7E, the operation time of each unit is doubled, tripled, quadrupled,... As the load factor of the DC power supply increases. Increase it. In other words, the ratio of the operation time of each unit to the control cycle T is increased, and two, three, four, etc. units that operate simultaneously within the unit time (T / N) are respectively used. It will increase.
すなわち、制御周期T内においてユニットUA→UB→UC→……という順序で単位時間(T/N)だけずらしながら、図7(b)のモードIIでは各ユニットの運転時間が何れも2(T/N)となるように運転し、図7(c)のモードIIIでは各ユニットの運転時間が何れも3(T/N)となるように運転し、図7(d)のモードIVでは各ユニットの運転時間が何れも4(T/N)となるように運転する。そして、図7(e)のモードVでは、全てのユニットUA,UB,UC,UD,UEを制御周期Tにわたり、並列運転(通常動作)させる。 That is, within the control period T, the unit UA → UB → UC →... Is shifted by the unit time (T / N) in the order of units UA → UB → UC. / N), and in mode III of FIG. 7 (c), each unit is operated so that the operation time is 3 (T / N). In mode IV of FIG. The unit is operated so that the operation time of each unit is 4 (T / N). In the mode V of FIG. 7E, all the units UA, UB, UC, UD, and UE are operated in parallel (normal operation) over the control period T.
なお、図7では、あるユニットの運転指令がオン(運転)するタイミングと他のユニットの運転指令がオフ(停止)するタイミングとが同時になっている。しかし、図2に示した如く、運転指令及び出力電流指令値に一定の重なり時間Trを設け、この重なり時間Tr内に出力電流指令値が増加または減少するように設定しても良い。 In FIG. 7, the timing when an operation command of a certain unit is turned on (operation) and the timing when an operation command of another unit is turned off (stopped) are simultaneous. However, as shown in FIG. 2, a constant overlap time Tr may be provided for the operation command and the output current command value, and the output current command value may be set to increase or decrease within the overlap time Tr .
図8,図9は、図7に示したモードI〜Vを、負荷率に応じて切り替えていく例を示している。
図8は、負荷率が増加していくにつれてモードを変更する例であり、ユニット1台当たりの負荷率を超えない範囲で各モードを設定する。
8 and 9 show an example in which the modes I to V shown in FIG. 7 are switched according to the load factor.
FIG. 8 is an example in which the mode is changed as the load factor increases, and each mode is set within a range not exceeding the load factor per unit.
また、図9は、軽負荷領域においてのみモードを変更する例である。例えば、各ユニットの出力が定格値の50%である時に電力変換効率が最も高くなるように設計し、各ユニットが常にその状態で運転されるようにモードの切り替えを行うことで、損失を低減させることができる。この例では、ユニットが5台であり、負荷率100%に対する各ユニットの出力の定格値は負荷率20%に対応するため、図9に示すように負荷率10%間隔でモードを切り替えることにより、各ユニットの電力変換効率を最も高くすることができる。 FIG. 9 is an example in which the mode is changed only in the light load region. For example, the power conversion efficiency is designed to be the highest when the output of each unit is 50% of the rated value, and the loss is reduced by switching the mode so that each unit is always operated in that state. Can be made. In this example, there are five units, and the rated value of the output of each unit for a load factor of 100% corresponds to a load factor of 20%. Therefore, by switching the mode at intervals of 10% of the load factor as shown in FIG. The power conversion efficiency of each unit can be maximized.
本発明は、直流入力電圧が高く、負荷側との絶縁が要求されると共に、装置全体の小型化、低コスト化が要請される各種用途の直流電源装置として利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a DC power supply device for various uses that require a high DC input voltage, requires insulation from the load side, and requires a reduction in size and cost of the entire device.
1:単相交流電源
2〜5,2a〜5a,2b〜5b,2c〜5c,8,8a,8b,8c:ダイオード
6,6a,6b,6c:リアクトル
7,7a,7b,7c:半導体スイッチング素子
9a,9b,9c,9d,……,9n:コンデンサ
31a〜31n:高周波インバータ
32a〜32n:変圧器
33a〜33n:整流回路
100,100a:全体制御回路
101a〜101n:個別制御回路
UA〜UN:直流/交流/直流変換ユニット(ユニット)
1: Single-phase AC power supply 2-5, 2a-5a, 2b-5b, 2c-5c, 8, 8a, 8b, 8c:
Claims (7)
複数台の前記ユニットの直流入力側にそれぞれ設けられた前記コンデンサを全て直列に接続し、これらのコンデンサの直列回路の両端に、交流−直流変換回路の直流出力端子を接続し、
前記制御回路は、
前記直流電源装置の負荷電流が所定値より小さいときに、一定の制御周期内で、複数台の前記ユニットのうちの一部のユニットを順次交代させながら同一の時比率にてそれぞれ運転する運転指令を生成し、各ユニットの前記絶縁型DC/DCコンバータを前記運転指令に従って制御すると共に、前記交流−直流変換回路に入力される交流電圧の周期に対し、前記制御周期を十分短く設定したことを特徴とする直流電源装置。 One DC / AC / DC conversion unit is constituted by a capacitor and an isolated DC / DC converter that converts a DC voltage across the capacitor into an AC voltage, and insulates the AC voltage into a DC voltage. A DC power supply device configured by connecting the DC input sides of the plurality of units in series and connecting the DC output sides of the plurality of units in parallel to each other, the insulation type DC / In a direct current power supply device including a control circuit for controlling a DC converter,
All the capacitors provided on the DC input side of the plurality of units are all connected in series, and the DC output terminals of the AC-DC conversion circuit are connected to both ends of the series circuit of these capacitors,
The control circuit includes:
When the load current of the DC power supply device is smaller than a predetermined value, an operation command for operating at the same time ratio while sequentially replacing some of the plurality of units within a certain control cycle. And controlling the isolated DC / DC converter of each unit according to the operation command , and setting the control cycle to be sufficiently short relative to the cycle of the AC voltage input to the AC-DC conversion circuit. DC power supply device characterized.
複数台の前記ユニットに対応して設けられた複数の交流−直流変換回路をそれぞれ構成する各整流回路の出力端子を、複数台の前記ユニットの直流入力側にそれぞれ設けられた前記コンデンサの両端に接続し、
前記制御回路は、
前記直流電源装置の負荷電流が所定値より小さいときに、一定の制御周期内で、複数台の前記ユニットのうちの一部のユニットを順次交代させながら同一の時比率にてそれぞれ運転する運転指令を生成し、各ユニットの前記絶縁型DC/DCコンバータを前記運転指令に従って制御すると共に、前記交流−直流変換回路に入力される交流電圧の周期に対し、前記制御周期を十分短く設定したことを特徴とする直流電源装置。 One DC / AC / DC conversion unit is constituted by a capacitor and an isolated DC / DC converter that converts a DC voltage across the capacitor into an AC voltage, and insulates the AC voltage into a DC voltage. A DC power supply device configured by connecting the DC input sides of the plurality of units in series and connecting the DC output sides of the plurality of units in parallel to each other, the insulation type DC / In a direct current power supply device including a control circuit for controlling a DC converter ,
A plurality of alternating current provided corresponding to a plurality of said unit - the output terminals of the rectifier circuit constituting respectively the DC conversion circuit, to both ends of the capacitor provided to the DC input side of the plurality of said unit connection,
The control circuit includes:
When the load current of the DC power supply device is smaller than a predetermined value, an operation command for operating at the same time ratio while sequentially replacing some of the plurality of units within a certain control cycle. And controlling the isolated DC / DC converter of each unit according to the operation command, and setting the control cycle to be sufficiently short relative to the cycle of the AC voltage input to the AC-DC conversion circuit. DC power supply device characterized.
前記制御周期を、前記直流電源装置の負荷率に応じて変化させることを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 1 or 2 ,
The DC power supply device, wherein the control cycle is changed according to a load factor of the DC power supply device.
前記制御周期を、前記負荷率に反比例させることを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 3 ,
A DC power supply device characterized in that the control cycle is inversely proportional to the load factor .
前記負荷率が大きいほど、同時に運転する前記ユニットの台数を増加させることを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 3 or 4,
The DC power supply device characterized in that the larger the load factor, the greater the number of the units that are operated simultaneously .
前記時比率を、前記負荷率に応じて変化させることを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to any one of claims 3 to 5,
DC power supply device, characterized in that the time ratio is changed according to the load factor.
前記負荷率をその大きさにより所定数の範囲に分割し、前記負荷率が小さい範囲における前記時比率を、前記負荷率が大きい範囲における前記時比率よりも小さく設定したことを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 6,
The DC power supply , wherein the load factor is divided into a predetermined number of ranges according to the size, and the time ratio in a range where the load factor is small is set smaller than the time ratio in a range where the load factor is large apparatus.
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